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GaN基Ⅲ-V族化合物半导体材料以其独特的特性,在微电子器件应用方面展现出巨大的优势和潜力。然而,在材料中缺陷研究方面尚有诸多问题亟待解决。材料中缺陷会形成缺陷发光带、持续光电导、光淬灭等一系列现象,严重影响着材料的光学特性、电学特性以及器件可靠性与稳定性。深入开展缺陷研究,全面掌握缺陷信息,分析有关现象的物理机制,是进一步降低缺陷密度并提高材料质量和器件可靠性的关键所在。目前缺陷研究受到日益广泛关注,是GaN基Ⅲ-N化合物半导体材料研究领域中的热点之一。
本文利用多种测试方法对金属有机物化学气相沉积生长的GaN外延层中缺陷相关的现象进行了测试分析,取得了如下结果:
1、变温Hall测试结果表明在室温下电阻率为2.5Ω·cm的GaN样品中存在0.028eV的浅施主能级；不同温度下的暗电流测试结果表明在高阻GaN中存在0.68eV的深施主能级,控制着样品的暗电导率。利用XRD摇摆曲线对不同电阻率GaN外延层进行了测试,观察到XRD测试中(0002)面半高宽基本不随电阻率变化,而(10-12)面半高宽随电阻率有明显变化,表明电阻率与刃位错密度之间存在着紧密联系。
2、利用光致发光谱(PL)和阴极荧光谱(CL)对不同电阻率GaN外延层中的缺陷发光带进行了研究,观察到高阻GaN样品中缺陷发光带强度更大,与高阻GaN中更高的刃位错密度有关。在高NGaN中发现蓝光带峰位随温度降低出现蓝移,室温下位于2.86eV,5K下位于3.03eV。在室温下电阻率为2.5Ω·cm和7.8×100Ω·cm样品的CL测试结果中均观测到蓝光带强度与黄光带强度比值随CL激发能量升高而增加。
3、利用热激电流方法与深能级瞬态谱技术分别对不同电阻率GaN外延层中的缺陷能级位置进行了测定。利用热激电流在高阻GaN样品中测试得到陷阱深度为0.18eV、0.22eV、0.34eV、0.44eV、0.52eV、0.61 eV以及0.77eV的缺陷能级。在高阻GaN样品的热激电流测试中观察到了热激电流的淬灭现象。发现利用波长为532nm的光束对样品进行激励也能观测到热激电流峰。利用深能级瞬态谱方法在室温下电阻率为0.32Ω·cm的GaN样品中测到导带底下方0.35eV的电子陷阱能级,俘获截面为1.6×10-19cm-2。
4、对GaN材料中的光淬灭现象进行了研究。在光淬灭测试中发现在不同电阻率GaN外延层中均存在1.30eV、1.55eV、1.98eV的空穴陷阱能级,而2.60eV能级只出现在高阻GaN材料中。
5、在不同电阻率的GaN样品中均观察到了明显的持续光电导现象,并采用双延伸指数函数对实验结果进行了拟合。对持续光电导现象研究中极少报道的电场强度效应进行了测试分析。发现电场强度越大,光电导上升过程越慢,而持续光电导衰减得越快。造成这种效应的原因在于持续光电导效应相关缺陷的负电荷特性。这种特性导致陷阱中心对自由电子的俘获系数随电场强度增加而增加。